CN103155375B - 电机的冷却剂排放***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种冷却剂排放***，所述冷却剂排放***包括模块壳体和联接到模块壳体的排放盘。模块壳体至少部分地限定了机器腔并且包括内壁和至少部分地将电机包封在机器腔内的至少一个端盖。冷却剂排放通道还包括通过模块壳体并且毗邻排放盘的多个排放孔。多个排放孔提供了从机器腔至排放盘的流体通路。

Description

电机的冷却剂排放***和方法
相关申请
本国际申请要求在2010年10月4日提交的美国专利申请No.12/897,634的优先权，其全部内容在此以援引的方式并入本发明。
背景技术
冷却电机的传统方法包括使得冷却剂通过冷却剂套内的电机的外周周围。冷却剂从电机的定子提取热量。在一些机器设计中，通过从冷却剂套将冷却剂直接喷射到定子的端部匝上来提高排热水平。如图1A所示，由于重力的原因喷射的冷却剂被排向电机壳体的底部，并且排放孔通常位于壳体的底部附近，以排出冷却剂。然而，如图1B和图1C所示，如果电机向后倾斜，则能够将大量的冷却剂蓄积在壳体内的电机周围。在倾斜期间，蓄积的冷却剂的高度能够增加到足以淹没电机定子和电机转子之间的空气间隙，从而致使产生诸如电机的相对较大的旋转损失和/或热失效的负面影响。
发明内容
本发明的一些实施例提供了一种冷却剂排放***，所述冷却剂排放***包括具有内壁和至少一个端盖的模块壳体。模块壳体至少部分地限定了机器腔并且冷却剂排放***还包括定位在机器腔内而且由模块壳体至少部分包封的电机。电机包括大体环绕转子的定子和至少部分地限定在定子和转子之间的空气间隙。冷却剂排放***还包括联接到模块壳体而且包括排放口的排放盘和多个排放孔，所述多个排放孔延伸通过模块壳体并且定位成毗邻排放盘。多个排放孔提供了从机器腔至排放盘的流体通路。
本发明的一些实施例提供了一种用于排放冷却剂的方法，所述方法可以包括提供这样一种电机模块，所述电机模块包括具有至少一个端盖和多个排放孔的模块壳体；和至少部分地将电机包封在模块壳体的机器腔内。电机能够包括基本环绕转子的定子和限定在定子和转子之间的空气间隙。所述方法还能够包括将包括排放出口的排放盘联接到电机模块、相对于多个排放孔定位排放盘，以便机器腔经由多个排放孔与排放盘流体连通、以及将冷却剂引入到机器腔中。所述方法还能够包括允许冷却剂基本流过整个机器腔流向多个排放孔并且通过多个排放孔至排放盘，以便冷却剂蓄积在电机模块旋转期间位于空气间隙下方。
本发明的一些实施例提供了一种靠重力供给的冷却剂排放***。冷却剂排放***可以包括电机，所述电机具有基本被定子环绕的转子和限定在转子和定子之间的空气间隙。冷却剂排放***还能够包括模块壳体，所述模块壳体具有内壁和至少一个端盖。模块壳体至少部分地限定了机器腔并且至少部分地将电机包封在机器腔内。冷却剂排放***还能够包括连接到模块壳体并且包括排放出口的排放盘、第一组排放孔、第二组排放孔。第一组排放孔定位在模块壳体的第一轴向端部附近并且与机器腔和排放盘流体连通而且沿着模块壳体的第一轴向端部成一角度间隔开。第二组排放孔定位在模块壳体的第二轴向端部附近并且与机器腔和排放盘流体连通而且沿着模块壳体的第一轴向端部成一角度间隔开。第一组排放孔和第二组排放孔沿着模块壳体的角跨度成一角度间隔开，以在模块壳体的旋转范围内提供源自机器腔的靠重力供给的排放路径，以便机器腔内的冷却剂蓄积水平保持低于空气间隙。模块壳体包括冷却剂套，并且内壁包括与冷却剂套和机器腔流体连通的多个冷却剂孔。排放盘包括至少一个锯齿状端部，模块壳体包括定位成毗邻所述至少一个锯齿状端部并且与冷却剂套流体连通的冷却剂入口。
附图说明
图1A至图1C是成不同角度的传统电机模块壳体的透视图；
图2是根据本发明的一个实施例的电机模块的正视透视图；
图3是根据本发明的另一个实施例的电机模块的模块壳体的侧视图；
图4是图3的模块壳体的仰视图；
图5是图3的模块壳体的透视内部视图；
图6A至图6C是图2的成不同角度的电机模块的模块壳体的透视图；
图7是图解了成不同角度的模块壳体内部的蓄积的冷却剂的深度的图表；
图8A-图8D是流动通过图2的电机模块的排放盘的冷却剂的正视图、侧视图、仰视图和透视图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明并不局限于其应用于在以下描述中所陈述的或者在以下附图中所图解的构造细节以及部件的布置方案。本发明能够是其它实施例并且能够以各种方式加以实践或予以实施。此外，应当理解的是，在本文中所使用的词组和术语为描述目的并且不应当认为是限制。使用“包含”、“包括”、或“具有”以及本文中它们的变体意味着包含此后所列举的条目和它们的等效物以及附加的条目。除非明确规定或其它限制，否则广义使用术语“安装的”、“连接的”、“支撑的”、和“联接的”以及它们的变体，以及所述术语包括直接和间接的安装件、连接件、支撑件、和联接件、而且，“连接的”和“联接的”并不受限于物理或机械连接件或联接件。
呈现以下讨论，以便使得本领域中的技术人员能够制造和使用本发明的实施例。对于本领域中的那些技术人员而言，所解释的实施例的多种变形方案是显而易见的，并且在不背离本发明的实施例的前提下，本文中的通用原则能够应用于其它实施例和用途。因此，本发明的实施例并不旨在局限于所示出的实施例，而是将被赋予由在本文中所公开的原则和特征构成的最宽泛的范围。将参照附图理解以下详细的描述，在所述附图中，不同附图中的相同元件具有相同的附图标记。所述附图不必成比例地描绘所选定的实施例并且并不旨在限制本发明的实施例的范围。熟练的技术工人将认可的是，在本文中提供的示例具有许多有用的替代方案，所述替代方案落入在本发明的实施例的范围内。
图2图解了根据本发明的一个实施例的电机模块10。电机模块10能够包括模块壳体12，所述模块壳体12包括套筒构件14、第一端盖16、和第二端盖18。在一个实施例中，模块壳体12能够由铸铝制造而成。电机20能够容置在至少部分地由套筒构件14和端盖16、18所限定的机器腔22内。例如，能够经由紧固件(未示出)或另一种适当的联接方式联接套筒构件14和端盖16、18，以将电机20的至少一部分包封在机器腔22内。在一些实施例中，端盖16、18能够是相同的部件。在其它实施例中，端盖16、18能够包括不同的单个特征件。而且，在一些实施例中，壳体12能够包括基本封闭的大体圆筒形的筒15和单个端盖16，如图3至图5所示。
电机20能够包括转子24、定子26、定子端部匝28、和轴承30，并且所述电机20能够布置成围绕主输出轴31。如图2所示，定子26能够环绕转子24，并且在转子24和定子26之间能够限定径向空气间隙32。在一些实施例中，电机20还能够包括转子轮毂34或能够具有“无轮毂”设计(未示出)。电机20能够但不局限于是电机，诸如混合动力电机、发电机、车辆用交流发电机。在一个实施例中，电机20能够是在混合驱动车辆中使用的高压U形(HighVoltageHairpin(HVH))电机。
在电机20运转期间，电机20的诸如但不局限于转子24、定子26和定子端部匝28的部件能够产生热量。能够冷却这些部件以增强电机20的性能并且延长电机20的使用寿命。
在一些实施例中，如图2所示，模块壳体12能够包括冷却剂套36。冷却剂套36能够基本环绕或者至少部分地包围定子26并且能够包含冷却剂，诸如油(例如，机油、传动液等)或者类似的液态冷却剂流体。冷却剂套36能够与包含冷却剂的流体源(未示出)流体连通。当冷却剂进入冷却剂套36时能够给所述冷却剂加压，以便所述冷却剂循环通过冷却剂套36。当冷却剂循环通过冷却剂套36时由电机20产生的热能能够传递到冷却剂，从而冷却电机20。在一些实施例中，能够经由冷却剂入口38将冷却剂引入到冷却剂套36中。在一个实施例中，如图3所示，冷却剂入口38能够定位在模块壳体12的大体下部分附近。
在一些实施例中，在套筒构件14的径向最靠内的壁42或者筒15能够基本使得冷却剂套36与机器腔22分离开的情况下，冷却剂套36能够形成在套筒构件14或者模块壳体12的筒15内。在其它实施例中，模块块体12能够包括内套筒构件(未示出)并且冷却剂套36能够限定在内套筒构件和套筒构件14或者筒15之间(即，以便内套筒构件形成基本将冷却剂套36与机器腔22分开的内壁42)。在这样的实施例中，例如，内套筒构件能够是不锈钢环形件，将所述定子26按压到所述不锈钢环形件中。
如图2所示，循环通过冷却剂套36的冷却剂能够从延伸通过模块壳体12的内壁42的冷却剂孔40喷射或者分配到机器腔22中。冷却剂孔40能够轴向定位成沿着模块壳体12基本毗邻定子端部匝28。结果，能够通过冷却剂孔40从冷却剂套36分配冷却剂并且分配到定子端部匝28上或者周围。分配的冷却剂能够接收由定子端部匝28产生的热量，这能够导致使得电机20降温。在一个实施例中，冷却剂孔40能够沿着圆周位于模块壳体12的大体上部分周围。在另一个实施例中，冷却剂孔40能够沿着圆周定位成完全围绕模块壳体12。在其它实施例中，冷却剂孔38能够定位成通过其它方法(诸如通过端板16、18中的冷却剂通道(未示出))将冷却剂分配在整个机器腔22内。
分配的冷却剂由于重力的作用能够向下流向机器腔22的下部分。当分配的冷却剂向下流动时，其能够继续从诸如但不局限于定子26、转子24、转子轮毂34和轴承30的电机部件移除热量。然后分配的冷却剂能够蓄积在机器腔22的下部分附近。在在机器腔22的下部分附近蓄积之后，冷却剂仍然能够比与其相接触的诸如电子26和定子端部匝28的电机部件冷很多，并且因此能够继续从定子26和定子端部匝28移除热能。
在一些实施例中，电机模块10能够包括排放***44，以从机器腔22移除蓄积的冷却剂。如图2所示，排放***44能够包括排放孔46，所述排放孔46延伸通过模块壳体12(即，在一些实施例中通过套筒构件14、筒15、内套筒构件和/或端盖16、18)和排放盘48。
在一个实施例中，排放孔46能够位于模块壳体12的每个轴向端部附近，并且能够在模块壳体12的角跨度上以一定角度相互间隔开。更加特别地，排放孔46能够包括沿着模块壳体的一个轴向端部的第一组和沿着模块壳体的另一个轴向端部的第二组，其中，所述第一组和所述第二组能够沿着模块壳体12的下部分周向相互间隔开，如图4和图5所示。例如，在模块壳体12的每个轴向端部上，中央排放孔46能够位于模块壳体12的大体底部中心处，并且一至四个其它排放孔46能够沿着模块壳体12沿着圆周位于中央排放孔46的两侧处(即，导致三至九个排放孔46位于模块壳体12的每个轴向端部上)，以为了提供位于机器腔22内的冷却剂的靠重力供给的排放通路。在一些实施例中，根据电机模块10的应用能够在模块壳体12中包括多于九个的排放孔46。另外，在一个实施例中，排放孔46沿其定位的角跨度能够大约为90度(即，从模块壳体12的底部中心双向大约45度)。
通过成角度放置，排放孔46能够允许排放***44在电机20向前或者向后倾斜或者旋转(即，围绕电机12的旋转轴线52旋转，如图2所示)时实施正常功能。另外，通过轴向布置，排放孔46能够允许排放***44在电机20朝向一侧或者另一侧倾斜或者旋转(即，围绕法向于旋转轴线52的轴线旋转)时实施正常功能。在一些实施例中，排放孔46能够定位成轴向向内更加靠近定子26(例如，与模块壳体12的轴向端部相比)，以使电机20的从一边到另一边的倾斜对冷却剂排放的影响最小化。
排放孔46的数量能够包括两个或者更多个并且能够基于机器腔22的尺寸、冷却剂蓄积的理想程度等其它因素来选择所述排放孔46的数量。另外，能够根据机器腔22的尺寸、冷却剂蓄积的理想程度和其它因素来选择排放孔46的一个或多个直径以及排放孔46的角度间隔。例如，机器腔22的尺寸和冷却剂蓄积的理想程度能够影响因重力而在蓄积的冷却剂内产生的液体静压力和蓄积的冷却剂的深度。冷却剂的更深的蓄积能够更为有效地冷却电机20，原因在于电机20的更多部分能够与冷却剂直接接触。更深的冷却剂蓄积还提供了更高的液体静压力并且因此提供了通过给定限制物(例如，排放孔46)的更高的流量。在一个实施例中，在每个轴向侧部上包括五个12毫米的排放孔46的电机模块10(例如，由RemyInternational,Inc.制造的HVH410系列电机)能够在淹没空气间隙32之前承受进入到机器腔22中的每分钟大约21升的最大流量。
更深的冷却剂蓄积还能够在电机倾斜时影响电机的运转。具有大的单个排放孔的传统壳体对倾斜角度非常敏感。例如，如图1B和1C所示，倾斜或者旋转传统壳体(即，相对于旋转轴线52)使得蓄积的冷却剂的高度升高，这能够导致淹没定子26和转子24之间的空气间隙32。由于排放***44的多个排放孔46，因此电机模块10能够呈现出更为一致的流动阻力，所述流动阻力取决于倾斜角度与传统壳体的单个大排放孔的对比。如图6A至图6C所示，这能够在最小的淹没空气间隙32的风险的前提下，允许产生更为一致的蓄积深度(尽管具有倾斜)，从而允许最大的恒定深度或者冷却剂蓄积高度54。
例如，图6A图解了在零度旋转角度(即，零度倾斜角度)条件下的电机模块10的下部分。如图6A所示，冷却剂蓄积水平54位于空气间隙32下方。图6B图解了沿着第一方向以15度的旋转角度旋转的电机模块10的下部分。如图6B所示，虽旋转但是冷却剂蓄积水平54仍然能够位于空气间隙32下方。类似地，由于排放孔46的对称性(即，同等数量的排放孔46位于底部排放孔46的两侧上)，因此当电机模块10沿着第一方向或者沿着第二方向(即，与第一方向相反)旋转15度时冷却剂蓄积水平54能够基本相等。图6C图解了以30度的旋转角度旋转的电机模块10。如图6C所示，虽进行其它旋转但是冷却剂蓄积水平54仍然能够位于空气间隙32下方。由于排放孔46的对称性，因此无论电机模块10沿着第一方向或者沿着第二方向倾斜30度，冷却剂蓄积水平均能够基本相等。
如图6A至图6C所示，包括排放***44的电机模块10无论沿着第一方向或者沿着第二方向旋转高达或者大于大约30度均能够将冷却剂蓄积水平54保持在空气间隙32以下(例如，以便其不会淹没空气间隙32)。在一些实施例中，根据排放孔46的定位和数量，旋转的范围能够大于或者小于大约30度。例如，旋转范围的下限值能够大约为0度(即，在模块壳体12基本竖直的情况下)并且旋转范围的上限值能够介于大约1度和大约30度之间。在一些实施例中，旋转范围能够限定在电机模块10的基本竖直位置和旋转位置之间，所述旋转位置致使蓄积的冷却剂淹没空气间隙32(即，最大的旋转角度)。在其它实施例中，旋转范围能够限定介于电机模块10的基本直立位置和位于最大旋转下的冷却剂蓄积水平还没有淹没空气间隙32的旋转位置之间(即，最大的操作旋转角度)。
图7图解了针对传统单孔壳体(线A)和图6A至图6C的多排放孔模块壳体12(线B)而言的在机器倾斜角度条件下的冷却剂蓄积深度的曲线图。如图7所示，多排放孔模块壳体12能够允许较之传统壳体进一步倾斜(即，更大的旋转范围)而同时又没有淹没空气间隙32。更加特别地，传统壳体能够在淹没空气间隙32之前旋转高达最大旋转角度θ1。多排放孔模块壳体12能够在淹没空气间隙32之前旋转高达大于θ1的最大旋转角度θ2。而且，如图7所示，与单孔壳体相比，多排放孔模块壳体12能够允许在更为宽泛的旋转范围内呈现更为一致的冷却剂蓄积水平54。这种一致性基本不受旋转范围内的倾斜角度的影响最大化冷却剂蓄积水平54，这与传统电机模块相比能够更为有效地冷却定子组件26。
在一些实施例中，还能够根据电机20旨在投入使用的应用和在这种应用中预期倾斜的程度(即，旋转范围)来选择排放孔46的数量、机器腔22的尺寸和/或冷却剂蓄积的理想水平。另外，在一些实施例中，电机模块10能够制造成使用除了如上所述的最大旋转角度(图7中的θ2)之外还包括最大的操作旋转角度(图7中的θ3)的旋转范围，以在运转期间提供安全因素或者窗口，以减小淹没空气间隙32的风险。
在一些实施例中，还能够根据电机20的操作温度范围来选择排放孔46的数量、机器腔22的尺寸和/或冷却剂蓄积的理想程度。例如，在一个实施例中，排放***44在不考虑温度对冷却剂的粘度和流量造成影响的前提下能够在电机20的基本整个运转温度范围内行使功能。
另外，由于多排放孔46，因此每个单个排放孔46的直径能够制成更小。这能够帮助减小套筒构件14和/或模块壳体12的轴向长度。在一些实施例中，排放孔46能够被钻入到套筒构件14中。通过钻入的孔46与硬的用工具铸造的特征件相比较，排放***44能够定制或者客户化以满足给定的用户应用并且更具有成本效益的理想的冷却剂流量。
在一些实施例中，如图2和图6A至图6C所示，能够包括排放出口50的排放盘48能够联接到模块块体12并且毗邻排放孔46。结果，在模块壳体12的两个轴向端部上的排放孔46能够与排放盘48流体连通。结果，蓄积的冷却剂能够排放出排放孔46至排放盘48并且然后能够因重力原因通过排放出口50成漏斗状汇集。排放出口50能够流体连接到外部冷却机(例如，热交换机、散热器等)，以便能够冷却从模块壳体12排放出的冷却剂并且所述冷却剂通过冷却剂入口38循环回到冷却剂套36。传统的连接软管或者类似的装置(未示出)能够联接到排放出口50，以便将排出装置流体连接到外部冷却器和/或泵。
在一些实施例中，排放盘48能够包括铸铝并且能够如图2所示例如使用传统的压缩垫圈和/或螺纹紧固件联接到模块壳体12的外部。如图2、8A和8B所示，排放盘48能够朝向排放出口50向下渐缩成锥形，以便允许冷却剂能够因靠重力供给的向排放出口50。在一些实施例中，如图8C和8D所示，排放盘48的一个或多个端部54能够旨在提供用于冷却剂入口38的空隙。允许将冷却剂入口38定位在模块壳体12的下部分附近能够提供待使用的传统，但却热有效而且低成本的进料口设计。例如，具有位于上部分附近的冷却剂入口38的模块壳体需要额外的挡板，用于使得冷却剂循环通过冷却剂孔40并且因此能够进一步削减成本。
排放盘48能够被不同地切割成锯齿状、定型或定位，以向某些用途共用的任何其它预存的硬件或者特征件提供空隙。例如，能够创造专用或者客户化模具，以铸造排放盘而不要求用于不同应用的整个新的模块壳体或者电机模块。这还能够允许在仅仅需要定制附加排放盘48的条件下使用用于多种用途(例如，具有不同安装条件、位置等)的共用电机模块。这能够通过减小对完全定制的模块壳体的需要而最小化机械加工和制造成本。
尽管已经结合具体的实施例和示例描述了本发明，但是对于本领域中的那些技术人员显而易见的是，本发明不必受如此局限，并且多种其它实施例、示例、用法以及实施例、示例和用法的修改方案和变更均旨在包含在随附权利要求中。在以下的权利要求中陈述本发明的多种特征和优势。

Claims (7)

1.一种靠重力供给的冷却剂排放***，所述靠重力供给的冷却剂排放***包括：
电机，所述电机包括由定子环绕的转子以及限定在所述转子和所述定子之间的空气间隙；
模块壳体，所述模块壳体包括第一轴向端部、第二轴向端部、内壁和至少一个端盖，所述模块壳体至少部分地限定了机器腔并且至少部分地将所述电机包封在所述机器腔内；
排放盘，所述排放盘联接到所述模块壳体并且包括排放出口，所述排放盘构造成和设置成用以允许液体冷却剂流向排放出口，所述排放盘在从所述定子的每一个轴向端部径向向外到达所述模块壳体的第一轴向端部和第二轴向端部附近的区域上延伸；
第一组排放孔，所述第一组排放孔延伸通过所述模块壳体并且位于所述模块壳体的第一轴向端部附近，所述第一组排放孔与所述机器腔和所述排放盘流体连通，所述第一组排放孔沿着所述模块壳体的所述第一轴向端部以一角度间隔开；
第二组排放孔，所述第二组排放孔延伸通过所述模块壳体并且位于所述模块壳体的第二轴向端部附近，所述第二组排放孔与所述机器腔和所述排放盘流体连通，所述第二组排放孔沿着所述模块壳体的所述第二轴向端部以一角度间隔开，
所述第一组排放孔和所述第二组排放孔沿着所述模块壳体的角跨度以一角度间隔开，以提供在所述模块壳体的旋转范围内的从所述机器腔排出的靠重力供给的排放路径，以使所述机器腔内的冷却剂蓄积水平保持低于所述空气间隙。
2.根据权利要求1所述的靠重力供给的冷却剂排放***，其中，所述模块壳体包括冷却剂套，并且内壁包括与所述冷却剂套和所述机器腔流体连通的多个冷却剂孔。
3.根据权利要求1所述的靠重力供给的冷却剂排放***，其中，所述排放盘至少在所述排放出口附近至少部分地渐缩成锥形。
4.根据权利要求1所述的靠重力供给的冷却剂排放***，其中，所述模块壳体的旋转范围沿着第一方向从0度至上限值以及沿着与所述第一方向相反的第二方向从0度至上限值，其中，所述上限值是30度。
5.一种靠重力供给的冷却剂排放***，所述靠重力供给的冷却剂排放***包括：
电机，所述电机包括由定子环绕的转子以及限定在所述转子和所述定子之间的空气间隙；
模块壳体，所述模块壳体包括内壁和至少一个端盖，所述模块壳体至少部分地限定了机器腔并且至少部分地将所述电机包封在所述机器腔内；
排放盘，所述排放盘联接到所述模块壳体并且包括排放出口；
第一组排放孔，所述第一组排放孔延伸通过所述模块壳体并且位于所述模块壳体的第一轴向端部附近，所述第一组排放孔与所述机器腔和所述排放盘流体连通，所述第一组排放孔沿着所述模块壳体的所述第一轴向端部以一角度间隔开；
第二组排放孔，所述第二组排放孔延伸通过所述模块壳体并且位于所述模块壳体的第二轴向端部附近，所述第二组排放孔与所述机器腔和所述排放盘流体连通，所述第二组排放孔沿着所述模块壳体的所述第二轴向端部以一角度间隔开，
所述第一组排放孔和所述第二组排放孔沿着所述模块壳体的角跨度以一角度间隔开，以提供在所述模块壳体的旋转范围内的从所述机器腔排出的靠重力供给的排放路径，以使所述机器腔内的冷却剂蓄积水平保持低于所述空气间隙；
其中，所述模块壳体包括冷却剂套，并且内壁包括与所述冷却剂套和所述机器腔流体连通的多个冷却剂孔；并且
其中，所述排放盘包括至少一个锯齿状端部，并且所述模块壳体包括定位成毗邻所述至少一个锯齿状端部并且与所述冷却剂套流体连通的冷却剂入口。
6.根据权利要求5所述的靠重力供给的冷却剂排放***，其中，通过所述冷却剂入口引入到所述冷却剂套内的冷却剂能够通过所述冷却剂孔分配到所述机器腔中，并且所述冷却剂的至少一部分流动通过所述第一组排放孔和所述第二组排放孔中的一个排放孔到达所述排放盘，以便所述机器腔内的冷却剂的蓄积水平保持低于所述空气间隙。
7.根据权利要求6所述的靠重力供给的冷却剂排放***，其中，所述多个排放孔被钻入到所述模块壳体中。
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